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霍爾效應 (Hall Effect)

實驗. 霍爾效應 (Hall Effect). 實驗目的. 決定磁鐵在特定距離下所建立之磁場。 學習如何量測磁場大小。 決定半導體材料是 P 型或為 N 型。 決定半導體材料之主要載體濃度。. 何謂霍爾效應 ?. Edwin H. Hall 於 1879 年發現在帶電流的薄金屬片上加磁場時會出現一 反向電壓 。 半導體中的霍爾效應比金屬箔片中更為明顯 。 霍爾效應是電場和磁場在移動中的電荷上所施力的結果 ( 勞倫茲力及靜電力 ) 。. 應用. 測定元件的 主要載子濃度 。

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霍爾效應 (Hall Effect)

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  1. 實驗 霍爾效應 (Hall Effect)

  2. 實驗目的 • 決定磁鐵在特定距離下所建立之磁場。 • 學習如何量測磁場大小。 • 決定半導體材料是P型或為N型。 • 決定半導體材料之主要載體濃度。

  3. 何謂霍爾效應? • Edwin H. Hall 於1879年發現在帶電流的薄金屬片上加磁場時會出現一反向電壓。 • 半導體中的霍爾效應比金屬箔片中更為明顯。 • 霍爾效應是電場和磁場在移動中的電荷上所施力的結果 (勞倫茲力及靜電力) 。

  4. 應用 • 測定元件的主要載子濃度。 • 利用霍爾元件測量出磁場，可確定導線電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。 • 霍爾元件具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。

  5. 何謂半導體 • 金屬的價帶與導帶之間沒有距離，電子可自由移動。絕緣體的能隙寬度最大，電子難以躍遷。半導體能隙介於兩者中間，電子較容易躍遷至導帶中。 • 半導體是指一種導電性可受參雜雜質濃度控制，範圍可從絕緣體至導體之間的材料。 電子

  6. P型半導體 • 在純矽中加入三價元素雜質，使每個矽原子與三價雜質結合成共價鍵時缺少一電子(多一個電洞)，即為P型半導體。 • 多數載子為電洞，少數載子為電子。 • 三價雜質通常為硼(B) 、鋁(Al) 、鎵(Ga) 、 銦(In) 。

  7. N型半導體 • 在純矽中加入五價元素雜質，使每個矽原子與五價雜質結合成共價鍵時多一電子，即為N型半導體。 • 多數載子為電子，少數載子為電洞。 • 五價雜質通常為磷(P) 、 砷(As) 、銻(Sb)。

  8. 理論 • 當受測材料為P型半導體(主要載子電洞)

  9. 外加一磁場沿正y軸 • 在A1，A2間加一電位差使電洞以漂流速度沿正x方向運動並受正Z方向磁場作用力 • 因材料原呈電中性，故有相等之負電荷累積在材料下方並產生負Z方向靜電力 Fe＝qE • 穩定態時，FB=FE即 qvB＝qEE=vB • 此時上下兩側之電壓差即為霍爾電壓

  10. 計算

  11. 實驗儀器-----高斯計(量測磁場使用) 使用按鈕上方英文字所提示功能時，須先按住SHIFT鍵才可使用。 歸零 選取單位 數值擷取 範圍設定

  12. 實驗儀器 探針置入位置 測試板放置處 磁場測試板 探針 厚壓克力墊片 待測半導體材料 磁鐵架

  13. 如何量測磁場 • 先將高斯計執行歸零程序。 將實驗器材架設好，磁場測試板置於指定位置(如上頁右下角圖)。 依操作說明找出磁鐵N 、S極。 量測示意圖 利用壓克力墊片改變N極與半導體距離。

  14. 注意事項 • 當受測材料為N型半導體(主要載子電子)時，電荷累積情形與上述情況相反，但計算公式仍然可用。 • 利用B-V關係圖去判斷材料的型態。 • 高斯計與探針為昂貴器材，務必小心使用。 • 探針使用時，須平貼待測物上(握把上的F.W BELL字樣朝外) ；測得磁場數據正值為S極，反之為N極。

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